Цель химико термической обработки

Для упрочнения поверхностного слоя деталей (повышения твердости и износостойкости) производят диффузионное насыщение различными элементами. Процесс изменения химического состава и свойств поверхности изделия под действием температуры и окружающей среды заданного состава называется химико-термической обработкой.

Химико-термическая обработка деталей применяется в промышленности с целью повышения: поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, антизадирных свойств. Для резкого повышения сопротивления абразивному изнашиванию перспективны процессы борирования, азотирования, диффузионного хромирования, позволяющие получить в поверхностном слое бориды железа, карбиды хрома или другие химические соединения металлов, отличающиеся высокой твердостью. Целью химико-термической обработки является также защита поверхности деталей от коррозии в агрессивных средах (силицирование, хромирование) и образования окалины (алитирование).

Обычно деталь помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл. При этом происходят следующие процессы: диссоциация (деление) молекул на атомы, адсорбция (осаждение) их на поверхности и диффузия (проникновение) вглубь материала.

Цель химико термической обработкиДиссоциация – химическая реакция обратимого распада молекул и образования атомов диффундирующего элемента. Термическая диссоциация происходит при повышении температуры,электролитическая – при растворении электролитов (расщепление молекул электролита на ионы), фотохимическая – при действии света. Количественной характеристикой служит степень диссоциации – отношение числа распавшихся молекул к общему числу.

Адсорбция. Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Характеризуется обратимостью и уменьшением адсорбции при повышении температуры. Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия. Она обычно необратима. В отличие от физической, является локализованной, молекулы не могут перемещаться по поверхности. Повышение температуры способствует ускорению ее протекания.

Например, кислород на металлах при низких температурах адсорбируется по законам физической адсорбции. При повышении температуры начинает протекать химическая адсорбция. С некоторой температуры увеличение химической адсорбции начинает перекрывать падение физической адсорбции, поэтому температурная зависимость адсорбции имеет выраженный минимум (см. рис. 6.2).

Диффузия– проникновение атомов вглубь материала. На поверхности концентрация диффундирующего элемента наибольшая, по мере удаления от поверхности концентрация падает. Глубина проникновения атомов определяет толщину насыщенного слоя. Количественно процесс диффузии характеризуется коэффициентом диффузии D (см 2 ·сек -1 ), т. е. количеством атомов, диффундировавших через площадку в 1 см 2 в течение 1 с при перепаде концентраций по обе стороны площадки, равном единице. Зависимость D от температуры имеет вид:

где А – коэффициент, зависящий от типа кристаллической решетки; Еа – энергия активации диффузии (эВ); Т – абсолютная температура (K); k – постоянная Больцмана (0,8617·10 -4 эВ/K). Из уравнения следует, что коэффициент диффузии очень сильно зависит от энергии активации: чем больше Еа, тем меньше D.

Продолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемой толщиной диффузионного слоя. При постоянных параметрах процесса (температура и др.) увеличение толщины слоя во времени подчиняется параболическому закону: y

(t) 1/2 , где у – толщина слоя, t – продолжительность процесса. Чем больше толщина уже имеющегося слоя, тем меньше он увеличивается за то же время. В приповерхностных слоях концентрация диффундирующего элемента будет расти медленнее, чем на глубине. Уже внедрившиеся атомы будут служить тормозом дальнейшей диффузии следующих атомов.

Особенности диффузии в металлах объясняются кристаллическим строением. Если растворимость диффундирующего вещества в металле мала, то диффузия наблюдается преимущественно по границам зерен. В случае значительной растворимости диффундирующего элемента в основном металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает гораздо быстрее.

Цементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей атомами углерода. Цель – достижение высокой твердости и износостойкости поверхности детали в сочетании с ее вязкой серединой. Для цементации используют низкоуглеродистые (0,1–0,2 % С) и легированные стали (15Х, 18ХГТ, 20ХНМ и др.). Детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 50–100 мкм. Осуществляется процесс цементации при высокой температуре (900–950 °С), когда сталь находится в аустенитном состоянии (a-железо растворяет не более 0,02 % углерода). Детали помещаются в среду определенного состава – карбюризатор.

В качестве твердого карбюризатора используют смесь древесного угля с добавлением катализаторов: 20–25 % ВаСО3 и 3,5–5,0 % СаСО3. При термическом разложении карбюризатора образуется атомарный углерод, который диффундирует в поверхностный слой металла:

Цель химико термической обработкиДлительность процесса – от 5 до 24 часов, глубина науглероженного слоя составляет от 0,4 до 2,5 мм. Чем дольше процесс, тем на большую глубину происходит насыщение углеродом.

Высокопроизводительный процесс – цементация в газообразном карбюризаторе с углеродосодержащими газами (метан, пары керосина и т. п.). В специальных печах газы термически разлагаются с образованием атомарного углерода, который диффундирует в сталь. Процесс длится 3–5 часов, глубина слоя – 0,8–1,2 мм.

Распределение углерода в поверхностном слое после цементации неравномерное (рис. 6.3): поверхностная заэвтектоидная зона 1, более 0,9 % С, структура перлит + вторичный цементит; эвтектоидная зона 2, около 0,8 % С, структура перлит; доэвтектоидная зона 3, менее 0,7 % С, структура перлит + феррит, плавно переходящая в структуру сердцевины.

При длительной выдержке, при высокой температуре сталь становится крупнозернистой (особенно при цементации в твердых карбюризаторах). После цементации проводят термическую обработку с целью упрочнения поверхностного слоя и измельчения зерна. Менее ответственные детали подвергают закалке от температуры цементации с последующим низким отпуском (рис. 6.4, режим а). Подстуживание снижает внутренние напряжения, обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое. Если требуются повышенные механические свойства, то охлаждение после цементации производят медленно, а закалка осуществляется при повторном нагреве с последующим низкотемпературным (150–200 °С) отпуском (режим б). Цель химико термической обработки Цель химико термической обработки
Двойную закалку (первая – для сердцевины, вторая – для поверхности) выполняют для наиболее ответственных деталей (режим в).

Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей атомами азота. При азотировании достигается более высокая твердость (70–72 НRC) и износостойкость, чем при цементации, увеличивается коррозионная стойкость стали в атмосфере и усталостная прочность. Высокая твердость азотированного слоя сохраняется при нагреве до 500 °С, цементованного – до 200 °С. Осуществляется азотирование при 500–550 °С в атмосфере аммиака, который разлагается с образованием атомарного азота, диффундирующего в поверхность металла:

Азот образует с железом и легирующими элементами нитриды (Fe4N, Fe2N, CrN, MoN, АlN), которые имеют более высокую твердость, чем карбид железа. Мелкие частицы нитридов являются эффективным препятствием для движения дислокаций. Скорость диффузии при низких температурах мала, процесс азотирования идет медленно. Слой глубиной 0,1–0,8 мм при 500–550 °С образуется за время от 3 до 90 часов. Операция азотирования является заключительной в технологическом процессе и заменяет операцию отпуска. Проводится после полной механической обработки и закалки. Азотированию подвергаются конструкционные среднеуглеродистые стали, легированные хромом, алюминием и другими элементами (38ХМЮА).

Нитроцементация – одновременное диффузионное насыщение поверхностного слоя деталей азотом и углеродом. По своим свойствам нитроцементованный слой занимает промежуточное положение между цементацией и азотированием. Процесс нитроцементации осуществляется в газовой смеси (светильный газ, метан) или жидкой среде. Длительность газовой нитроцементации от 2 до 12 часов. После необходима упрочняющая термическая обработка – закалка и низкотемпературный отпуск. В структуре слоя образуются мартенсит, карбонитридные и нитридные мелкие частицы. Твердость – 67–68 HRC.

Цель химико термической обработкиТемпература и продолжительность обработки влияют на концентрацию и соотношение элементов в поверхностном слое (рис. 6.5). При высокотемпературной обработке получают слои 1,5–2,0 мм, в которых много углерода, но мало азота; при низкотемпературной – слои тоньше, в них много азота, но мало углерода. Низкотемпературный процесс, идущий в жидкой среде, называют цианированием. Нитроцементации подвергают детали и инструмент, изготовленные из легированных сталей. Режим обработки и глубину упрочненного слоя выбирают в зависимости от условий работы, действующих нагрузок, срока службы.

Диффузионная металлизация – диффузионное насыщение стали различными элементами. При жидкостной металлизации деталь погружают в расплав металла, при твердой и газовой металлизации насыщение осуществляется с помощью летучих соединений хлора с металлами (AlCl3, CrCl3, SiCl4), которые при температуре 100–1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.

Алитирование (насыщение алюминием) применяют для повышения стойкости деталей против газовой коррозии в водяном паре, на воздухе, в сероводороде и топочных газах при повышенных температурах. На поверхности образуется плотная пленка Al2O3, которая предохраняет металл от окисления. Алитированию подвергают низкоуглеродистую сталь, жаропрочные сплавы на никелевой основе. Способы алитирования – в твердой среде (порошковых смесях), в расплаве, напыление расплавленного алюминия. Твердые смеси содержат от 30 до 90 % порошка железоалюминиевого сплава с небольшим количеством окиси алюминия и 1–2 % хлористого аммония. Процесс проводится при 750–1050 °С в течение 1–20 часов. Толщина слоя – 0,02–0,7 мм, содержание алюминия – 15–65 %. Алитирование в расплаве алюминия (с добавлением кремния) осуществляется погружением деталей в ванну с температурой 720–850 °С, время выдержки 25–45 мин. Затем проводится диффузионный отжиг в течение 1–2 часов при 950 °С. Толщина слоя – 0,3–0,5 мм.

Читайте также:  Вязальные автоматы для носков

Хромирование направлено на повышение твердости и газовой коррозии до 800 °С, стойкости против коррозии в обычной и морской воде и кислотах. Хромирование осуществляется при 800–1300 °С в порошковых смесях, в состав которых входят: Cr или FeCr, 1–3 % NH4Cl или NH4I, остальное – Al2O3. Перед хромированием детали подвергаются шлифовке, возможна предварительная цементация. При изготовлении штампового инструмента после хромирования производится притирка. Увеличение размеров при хромировании – 0,01–0,03 мм на сторону.

Борирование придает поверхностному слою очень высокую твердость (до 1800–200 HV), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей (например, буры Na2B4O7×10H2O); стальная деталь служит катодом. При температуре около 150 °С и выдержке до 200 часов на поверхности детали образуется борид железа. Толщина слоя достигает – 0,1–0,2 мм. Борированные детали (втулки буровых насосов, струйные сопла, звенья цепей пил) подвергаются закалке токами высокой частоты.

Сульфоцианирование улучшает антифрикционные свойства и повышает усталостную прочность деталей, обрабатываются поршневые кольца, гильзы цилиндров, чугунные вкладыши, зубчатые и червячные колеса. Процесс происходит в течение 1,5–2 часов при 560–580 °С. В зависимости от марки материала и состава ванны получают обогащенный серой, азотом и углеродом слой глубиной 0,05–0,1 мм.

Силицирование применяется для деталей химического и нефтяного машиностроения с целью повышения коррозионной стойкости при работе в морской воде, серной, соляной, азотной кислотах и других агрессивных средах. Осуществляется при 950–1000 °С в газовых и жидких средах, в вакууме и порошкообразных смесях в течение 10–50 часов. Силицирование понижает предел прочности, ударную вязкость.

Титанирование проводится при температуре 950–1300 °С в твердых смесях, жидких и газообразных средах с целью получения поверхностных слоев, стойких в различных агрессивных средах. Продолжительность – 0,2–6 час, глубина слоя – 0,02–0,45 мм; до 1,5 мм – при обработке ферротитановым порошком. Титанированные железные листы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

7.1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства

Легированные стали – стали, содержащие дополнительные компоненты (легирующие элементы – хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий и др.), для получения требуемых свойств.

Некоторые элементы имеют большее сродство к кислороду, сере, фосфору, чем железо, и образуют неметаллические включения: оксиды (MnO, Al2O3, SiO2, P2O5), сульфиды (MnS), фосфиды (Fe3P).Количество этих включений в обычных промышленных сталях невелико.

Легирующие элементы, имеющие большее сродство к углероду, чем железо, образуют простые и сложные карбиды.

Кремний, алюминий, медь, никель, магний не образуют карбидов. Находятся в сталях в твердых растворах (в аустените или в феррите). При определенных условиях снижают устойчивость других карбидов.

Такие элементы, как серебро и свинец, нерастворимы в стали и содержатся в виде металлических включений. Предельная растворимость меди – 1,0 %. Поэтому стали легированные серебром, свинцом (кроме автоматных сталей) и медью (более 1,0 %) промышленного использования не имеют.

В процессе длительного нагрева выше 900 °С происходит рост зерен аустенита – перегрев стали. Легирующие элементы в той или иной мере уменьшают склонность к росту зерен аустенита. Наиболее сильно тормозят укрупнение зерен аустенита – V, Ti, Al, Zr, в меньшей степени – W, Mo, Cr, почти не влияют – Ni, Si.

Влияние малыхконцентраций

В небольшом количестве легирующие элементы замещают атомы железа в твердых растворах (аустенит, феррит, мартенсит) и в цементите и влияют на их свойства и температурные интервалы существования.

Большинство легирующих элементов замедляет распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь за счет замедления скорости диффузии углерода. Некоторые элементы (Mn, Ni, Si) не изменяют форму кривых на диаграмме изотермического превращения аустенита (см. рис. 7.1,а). При введении Cr, W, V, Ti на С-образной диаграмме изменяется как форма кривых, так и сами кривые смещаются вправо по оси времени (см. рис. 7.1,б). Это приводит к уменьшению критической скорости охлаждения при закалке и позволяет упрочнять более массивные изделия по сравнению с изделиями, изготовленными из углеродистых сталей. Прокаливаемость углеродистых сталей – 10–15 мм, легированных сталей – до 100–200 мм и больше. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость введение одновременно нескольких элемен Цель химико термической обработки Цель химико термической обработкитов: Сг–Mo, Cr–Ni, Сг–Ni–Mo и др.

Попадая в феррит, легирующие элементы (кремний, марганец и никель) растворяются по типу замещения, и существенно повышают прочность стали. При введении 4 % Si твердость феррита (60–80 НВ) возрастает до 200 НВ. Меньшее влияние оказывают Mo, W и Cr.

При нагреве легированный мартенсит более устойчив, чем нелегированный. Это влияние легирующих элементов на мартенсит используется при создании жаропрочных сталей.

Легирующие элементы, имеющие большее, чем у железа, сродство к углероду, замещают атомы железа в цементите с образованием легированного цементита: например (Fe,Mn)3C вместо Fe3C. Однако если марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа с образованием карбида – (Mn)3C, то хром – 25 %, молибден – 3 %, вольфрам – 1 %. Более сильные карбидообразующие элементы (Ti, Nb, V, Zr) мало растворяются в цементите и образуют специальные карбиды.

срс химико термическая обработка.docx

Мы живем в век технологического процесса.

Создаются все новые высокопроизводительные машины, строятся высотные здания, увеличиваются скорости транспортных машин, вздымают ввысь реактивные самолеты. Все это требует повышения прочности и надежности материалов, из которых изготовляются такие машины и сооружения. Основным материалом во всех отраслях промышленности является сталь. Трудно назвать область народного хозяйства, будь то машиностроение, строительство, приборостроение, сельское хозяйство и т. д., где бы не применялась сталь. Вот почему усилия ученых, инженеров и рабочих постоянно направлены на то, чтобы повысить качество стали, увеличить ее прочность и долговечность.

Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки-поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.

Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий :

-диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов

-диффундирующего элемента .Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;

-адсорбиции, т.е. кантактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.

Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.

2.Виды химико-термической обработки

Наиболее распространенные виды химико-термической обработки стали — цементация, азотирование и цианирование. Некоторые методы упрочения поверхности металлических изделий приведены на рис. 96 (I— индукционная закалка, II — цианирование, III — нитроцементация, IV — газовая цементация, V — цементация, VI — цементация в твердом карбюризаторе, VII — азотирование, VIII —диффузное хромирование.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.

Цементацией подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (до 0,25% ), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.) .

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,10мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, наносимым электрическим способом, или специальными обмазками ,состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.

Читайте также:  Паяльная станция для пайки микросхем

Цементация осуществляется при температурах выше 900-950с. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь металла.

В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0 %. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.

Среда, в которой проводят цементацию, называют карбюризатором.

Цементация в твердой среде

Карбютизатором является активированный древесный уголь, а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы – углекислый барий, кальцинированную соду, поташ в количестве 10-40% от массы угля.

Обычная рабочая смесь, применяется для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75% отработанного.

Подготовленнные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой детали засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей.

Повышенная температура цементации до 950-1000с позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью HRC 60-63.

Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных из малоуглеродистого мартенсита.

Процесс заключается в нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя вещества в виде суспензии, обмазки или шликера, в сушке и последующим нагреве. Вид пасты определяет технологию ее нанесения. Паста сравнительно жидкой консистенции наносится на детали окунанием, а более густо-с помощью кисти. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше заданной глубины цементованного слоя. Основными компонентами паст являются сажа и кальцинированная сода, кокс малосернистый, сода или поташ.

Высушенные детали аккуратно, чтобы не повредить слой пасты, укладывают одна на другую в ящик и закрывают его крышкой. Ящик загружают в печь с температурой 950-1050с; чем выше температура нагрева, тем меньше длительность процесса. Кроме того, для нагрева деталей можно применять токи высокой и промышленной частоты.

По окончанию выдержки детали охлаждают в ящиках на воздухе. Можно осуществить также подсуживание до закалочной температуры и произвести закалку непосредственно с цементационного нагрева.

В настоящие время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечивать более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного печах непрерывного действия.

При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол.

В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода .

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3-1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода 0,8%.

После газовой цементации применяют закалку непосредственно из цементационной печи предварительно сделав подстуживание до температуры 850-830с. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180с.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650с. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.

При азотировании легированных сталей азот образуется с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость.

Твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает HV 11000-12000.

Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки.

Обычно процесс азотирования ведут при температурах 500-520с. В этом случае получают толщиной до 0,5мм за 24-90ч.

В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров детали.

Процесс жидкого азотирования осуществляется при температуре 570с в расплаве цианосодержащих солей. В ходе процесса расплав непрерывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превращения цианида в цианат, являющийся поставщиком атомов углерода и азота.

Менее распространены процессы азотирования в бесцианистых солях, содержащих азот и в расплавах нейтральных солей, через которые продувают аммиак.

Широкое применение получает ионное азотирование. По сравнению с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность процесса, более высокое качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.

Рабочее давление в камере печи составляет 130-1300Па. При более высоком давлении тлеющий разряд становится менее стабильным и чаще переходит в дуговой. Это может вызвать перегрев поверхности и даже ее оплавление.

Цианирование и нитроцементация

Цианирование называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.

На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода в слое, снижает температуры- к увеличению содержания азота.

Толщина цианированного слоя также зависит от температуры-и продолжительности процесса. Для цианирования применяют стали, содержащие 0,3-0,4% углерода.

Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NACN. Примерный состав ванны следующий:20-25% NACN; 25-50% Nacl и 25-50% Na2CO3.

Первый состав применяют для цианирования при 820-850С, второй -при 900-950С.

Цианирование при температурах 820-850С позволяет осуществлять закалку непосредственно из ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск. Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC 59-62.

Цианирование при температурах 820-850С позволяет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 минут. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочрость.

После цианирования детали охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск.

Недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.

Нитроцементацию осуществляют при температурах 840-860С в газовой смеси из неуглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1-10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1 мм.

После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160-180С.

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Читайте также:  Закалка ножа в домашних условиях видео

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1

Температура, °СЦвета каленияТемпература, °СЦвета каления1600Ослепительно бело-голубой850Светло-красный1400Ярко-белый800Светло-вишневый1200Желто-белый750Вишнево-красный1100Светло-белый600Средне-вишневый1000Лимонно-желтый550Темно-вишневый950Ярко-красный500Темно-красный900Красный400Очень темно-красный (видимый в темноте)

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалостиТемпература, °СИнструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый210
Светло-желтый220Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый230Тоже
Темно-желтый240Чеканы для чеканки по литью
Коричневый255
Коричнево-красный265Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый285Зубила для обработки стали
Темно-синий300Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий325
Серый330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время